声速和声衰减系数

用20MHZ静电换能器精密测最超声波声速和声衰减系数’刘镇清魏墨宣(上海,同济大学声学研究所,200092)用静电换能器对小尺寸固体试样作了高精度超声测量,由于静电换能器非接触的特点,避免了。藕合层及换能器本身对测量引入的误差当超声波频率为ZoMHz时,通过衍射修正后,声速测量“。的精度优于1。“,声衰减系数测量的精度小于2%由此得到的声学参量较正确地反映了试样的声学特性。了减小波形的畸变,在发射或接收换能器上,1前言不能添加高Q值的匹配电路这使得换能效。率低的矛盾更加突出为此,我们从静电换,弓’“{超声测量是超声研究与应用的基本手能器本身及电路两方面作了探索’研。段,常见的超声测量用换能器大多是接触型制成功了静电换能器脉冲超声测量系统本的。对固体作超声测量时,从换能器辐射面项工作利用自行研制的测量装置,对固体试。发出的超声波要进入被测体,或从被测体接样的声速及声衰减系数作了精密测量由于收超声波时,都必须解决换能器与被测体间接触式超声测量时藕合层及换能器对声衰减。,,的声藕合层问题在超声精密测量时,应该测量的影响较大本文还对同样的固体试样对声藕合层及换能器的影响进行评估并作适在同样的超声波频率下用压电换能器作了声当的修正,这样的修正有时可能是相当麻烦衰减测量,其结果与静电换能器得到的结果。的{‘一3’,而且准确修正也并非容易作了比较与,从而证实了静电换能器在、。用非接触的超声换能器可避免藕合层及声衰减测量时更方便更正确换能器对超声测量的影响,还可保障被测试,样表面的自由边界条件以此得到的声学参2声速浏量量将更为正确。静电换能方法是非接触式超,、声换能方法之一其优点是结构简单体积目前声速测量中主要采用脉冲法,它可小巧、造价低廉,尤其对小试样的超声测量克服超声发射与接收回路间的串扰及驻波影,。比较有利适合于普通实验条件下的超声精响,且具有较高的测量精度本文采用公认密测量与研究工作,而其缺点则是无法直接的高精度声速测量方法脉冲回波重合。,—z,‘激发或接收横波法在超声频率为20MH时对玻璃及铝静电换能器的换能效率比较低,而且本,项工作在方波调制超声脉冲方式下进行为国家自然科学基金资助课题一14一11卷4期(1992)试样作了声速测量,静电换能器脉冲回波重统计平均结果,这样可减少目测回波重合时。。合法的测量结构如图1所示图中,自行研的随机偏差、制的声速仪包括:音频信号发生器双通道表1玻玻试样声时测,结果(单位畔)、延迟脉冲发生器射频脉冲发生器以及接收〔“’。回波序数实测值衍射修正值修正后值放大器等部分E312A型频率计用来测(m一n)量音频信号发生器的周期,进而确定两次回波重合时的时间间隔。接收放大后的超声回...一154」2115173870000801767波号送C055041型示波器Y轴几信作输..观热.3一215174170000431517460示Z,只送到波器轴的是增辉信号此信号对...4一315173740000691517443,。.选定的两个回波增辉以便实施脉冲重合..5一415174430000131517456...6一51517417000021151743台...7一615173870000641517451·Y静困示...114电体波8一715174040000695773...试样协声触发器9一815173860000681517454能速...10一9151739100006415T7455移仪..报率计平均值15174011517455l_图静电换能器脉冲回波重合法测量声速的原理图.差000020000010静电换能器的发射与接收电极均是直径·为13mm的圆片状结构。圆柱状铝试样的长.2,。衰铝试样声时洲l结果(单位叶》度为30260mm士1林m其半径约34mm玻.圆,315mm士璃试样也是柱状的长度为2回波序数实测值衍射修正值修正后值1协m,35mm,50nm半径约其两端表面镀上(m一n)左右厚度的铜膜,铜膜与静电换能器电极构。.电..成工作容对2一1945611000079945690...若将发射与接收静电换能器电极置于铝3一2945635000072945707.,..与玻璃试样的两端表面中心则可允许超声4一3945636000033945669...波束扩张20mm以上而不发生侧壁反射的影5一4945649000035945684..。,,.响那么超声波频率为20MHz取铝与玻6一5945573000089945662...,一6璃的纵波声速分别为640om/s与4200m/s第7694558100009294573._.一99100894566910次回波内的超声波都可认为没有受到侧壁87455007反射的影响。9.4511949,平均值6567在实际工作中总是首先获得超声波渡越时间(声时),尔后对应试样的长度求得声_.028000014速。表1与表2分别是玻璃与铝试样的声时标准差000。测量结果测量时保持试样的温度恒定不变,,并在较短时间内测得10组不同超声回波间的由于静电换能器是非接触的它基本避声时值,表中的声时测量值便是10次测量的免了换能器和藕合层引起的接收回波附加相声学技术一享导一。移,句不必再作修正。这样,声时测量值为4072型数字存储示波器测量时首先将衰减试样绝对声时与衍射相移引起的附加声时的器的衰减量调至较大的数值,并使示波器接,:综合结果即绝对声时为收到的第一次回波幅度固定在某一值上;尔一乙二T+TD(1)后再选取第二次回波并减小衰减器的衰减,D。其中,T为声时测量值T为衍射修正量量,使示波器收到第二次回波的幅度与第一,,’“由表1与表2可知通过声速衍射修正’次回波一致,这时衰减器的读数差值就是两。静电换能器测量固体绝对声时的偏差接近次回波衰减测量值以此类推便可获得以后.。。0Ins这不仅是由于换能器非接触的结果,几次回波间的声衰减测量值而且也体现了较高超声工作频率的优越性。因为正由于电发射示波公衍射修本身可能会静换能器边fT,缘效应等因素造成偏差而超声波频率的提试样高使得衍射修正量变得更小,这就为最后所放大衰减留得结果的精确性奠定了基础,这也是本项工作将静电换能器超声波工作频率提高到图2静电换能器超声波衰减测量原理图。20MHz的原因之一静电换能器避免了测量探头与被测试样铝试样只取到第八次回波是由于接收信间的直接声藕合,使得声波反射界面接近理,号较弱第八次以上的回波受到噪声的影响想的自由界面,这就使得最难修正的祸合层,,。较大以致声时测量精确度较差较难给出与换能器引入的声衰减修正变得不再必要。可信的结果表3和表4是静电换能器对试样声衰减的测。量结果为了便于说明问题,将压电换能器3声衰减测量对同样试样在相同超声波频率下的声衰减测量结果一并列出,压电换能器的直、径是..。声衰减也是超声波基本参数之一,目前6smm,声藕合是硅脂表中所有测量八毛-。比。它的测量精度与准确度都远声速测量低值都是十次测量的统计平均结果,这是由于影响声衰减测量的因素较多很难由表3与表4可知,通过声衰减衍射修。:正确修正声衰减测量值AT主要包含有试正后L7’,用压电换能器获得的声衰减明显样声衰减,衍射效应造成的附加声衰减,藕大于静电换能器获得的声衰减值,这主要是合层与换能器引入的声衰减,即:接触式换能器和藕合层造成附加声衰减所。AT=As+AD+AR(2)致可以认为,非接触的静电换能器测声衰,,D。其中AS为试样的声衰减A为衍射引起减时,式(2)中的A项为零;因此经过声的声衰减,AR为藕合层及换能器造成的声衰减衍射修正剔除A。后,得到的声衰减。D,。。衰减A可由衍射修正预先剔除A与藕系数即为试样自身真正的声衰减系数为了合层的声学特性、厚薄以及换能器的结构和更精确地得到声衰减系数,可将间隔多次的声学特性都有关,’2’“因此A。很难准确修回波幅度作比较,并以此求出试样的声衰减、。。正剔除系数表5便是间隔取4次回波时,通过声‘静电换能器声衰减测量原理如图2所衰减衍射修正后得出的玻璃与铝试样的声衰。示,换能器工作状态与试样都与声速测量时减系数这时的相对误差接近1%,这里的。一致放大后的超声回波信号经标准衰减器误差是读数偏差、衍射修正剩余偏差等因素。后送示波器,这里选用了GQuld公司生产的共同引起的一工6一11卷4期(109习)表3玻玻试样声衰减溯盆结集静电换能器压电换能器回波序数衍射修正量声衰减测量值衍射修正后值衍射修正量声衰减测量值衍射修正后值(m一n)(dB)(dB)(dB)(dB)(dB)(dB)......2一104916511600824824......3一2053167114171389218。.,...4一3021139118174402228......5一405517115166337221.,...6一5一0。1610712312736233......7一6一014105119134373239。....8一7011221121223332.11。....‘9一802614211610632622......10一903915111071285214平均值(dB)4081.160.448249.标准差(dB)2360035488100·一.平均声衰减系数(dBml)18.403567o一..声衰减系数误差(dBml)056159衰4铝试样声衰减测皿结果.‘一l.tles静电换能器esjl压电换能器回波序数衍射修正量声衰减测量值衍射修正后值⋯i衍射修正量声衰减测量值衍射修正后值(m一n)(dB)(dB)(dB)(dB)(dB)(dB)_.....2一1059262203084392308.。....3一2039245206237502265...。,.4一307527920421493283.....5一40Unn甘”Žn5勺,9自曰任J”9s8ŽO己自”c20222417244523一.7.._..6一420521151418267_....7一6⋯233204127395268....,8一7249201117402285....9一825820943642710一92.51.920883.412.53....平均值(dB)42620491692747..标准差(dB)_24000825130148.一..平均声衰减系数(dBml)33854538_一_声衰减系数误差(dB.ml)135245声学技术一17一衰乌玻玻和铝试释的声衰减系数(dB/m)试梓的测量结某表明,用静电换能器侧量绝.对声时的精度可达0Ins,其相对误差于回波序数优玻璃铝一“(m一n)10数量级,绝对声衰减系数的测量精度小一--‘---于2%石一-一~一~一一一。一乐,1183634865DO厅口‘8吕,匕‘,D八…丹‘324利用静电换能器非接触与宽带的特篇_6一21864可用它对试样中的超声振动信号作无失真检,,,1八7一318郑188t)D16左Un任JŽ测亦可用于压电换能器的校准还可将它与激光超声设备组成一套完整的非接触超声8一4。。检测系统等我们将陆续开展这些工作此9一5外,我们还将对如何提高衰减测量精度的间。10一6题作进一步探讨_1854034245参考文献.1,,186,114:26240711查济漩声学学报9()7.2陈雁,魏墨直,声学技术,1989万8(2):13~18.,,,4结束语3WeiMoanTanJinxingChenYi血aoucWes‘ernpcificReg{nalAcostisCd五fe一renee,onon用自行研制的静电换能器超声测量系统(1985)HgKg470~475.4,,,1992多:对固体试样作了绝对声速及声衰减系数的测刘镇清魏墨育传感器技术11(1)830量。由于避免了换能器与试样的直接接触,2~.,,,5刘镇清魏墨宜实验室仪器1991,消除了界面引起的声波附加相移及附加声衰10(4).6s。e减因而不需要作换能器与藕合层的反射修.,6WeiMoJKhiAcandTanJinxingChinese正便句得到高精度的固体声速及声衰减系ournaoouses,‘Jlfti1983;2(2)〕77~183。,...eusea,多透:数简化了测量步骤7AS1IUUnlnAti197227(),当超声波频率为20ML七时对玻璃和铝173e181《超声换能器》新邮购。《超声换能器》一书已由南京大学出版社于1992年8月出版该书既有基本理论分析又有广泛的实际应、、、、用,涉及无损检测生物医学诊断地球物理勘探水声通信和信号处理等各领域,可满足多方面谈者的。。,..。需要作者为东南大学袁易全副教授该书大32开本34万字,平装120元,软精装130元另加8%邮,,购费书款请寄:中国银行无锡市南长办事处帐号。105174135;地址:无锡市锡进文化服务经营部;邮。·编2140仓(张为国韦余红).本刊讯、、、▲上海飞乐电声总厂高级工程师原中国声学学会理事上海市声学学会常务理事电声专业委员会主,。任,张本厚同志因病医治无效于1992年7月20日6时35分在上海逝世,终年7岁早在60年代初期张本厚“同志主持的电声学译丛,编译工作,对促进我国电声学发展起了重要的作用,张本厚同志逝世是上海市声学。界的一大损失▲原上海市声学学会副理事长李宝善高级工程师因病于今年3月6日在纽约逝世。一18一11卷4斯(1仑男)